Photometric Analysis of Quasars with Outflows -I: The Relations Between Variability Amplitude and Physical Parameters

Abstract

This study investigates the Catalina Sky Survey photometric light curves of 1886 quasars that show broad absorp-tion lines (BAL) in their spectra as a manifestation of the disk outflows. To describe the brightness variability strength of the quasars, we define a suitable parameter measuring the variation amplitude. The distribution of the variation amplitude parameter for our main sample is asymmetric. The asymmetry of this non-normal distribution is largely due to the contribution of the most variable quasars. To assess the relations between the variability ampli-tude and quasar physical parameters, we construct two subsets from our main sample, i.e. the most variable and the most stable (the least variable) quasars. We assess relations between the variability amplitude and the quasar pa-rameters such as redshift, apparent and absolute magnitudes, luminosity, and the mass of the central black hole. By comparing the parameter distributions of these two subsets, we show that the most variable quasars tend to be dimmer. The further correlation analysis on the entire main sample confirms the strong relationship between quasar brightness and variability. This study presents the brightness and variability relation of BAL quasars, for the first time. Since this result is consistent with the known relation of the normal quasars, we suggest that BAL quasars have no significant difference from normal quasars in terms of the photometric variability mechanisms. The significant inverse correlation between the quasar variability and brightness supports the common idea that disk instability might be the dominant mechanism behind the photometric light variations.

Keywords

• Astrophysics
• Galaxies: Active Galaxies
• Quasars
• Quasar Outflows
• Photometric Variability

Rüzgâr Yapısı Gösteren Kuazarların Fotometrik İncelenmesi – I: Parlaklık Değişim Genliği ve Fiziksel Parametreler Arasındaki İlişkiler

Abstract

Rüzgâr yapısına sahip olduğu tayfsal gözlemler ile belirlenmiş Geniş Soğurma Çizgili 1886 kuazarın zamana bağlı parlaklık değişimleri, Catalina Sky Survey veri tabanından alınan ışık eğrileri kullanılarak incelenmiştir. Kuazarla-rın fotometrik parlaklık değişim genliğini ölçmeye uygun bir parametre tanımlanmıştır. Parlaklık değişim genliği parametresinin rüzgâr yapısına sahip kuazarlar için dağılımı incelendiğinde, asimetrik bir yapıya sahip olduğu ve normal dağılıma uymadığı görülmüştür. Dağılımın simetrisini bozan etkinin ağırlıklı olarak büyük genlikli değişim-ler gösteren kuazarlardan kaynaklandığı belirlenmiştir. Rüzgâr yapısına sahip kuazarların parlaklık değişimi ile kuazara ait fiziksel parametreler arasında bir bağıntı olup olmadığını araştırmak için 1886 rüzgarlı kuazar içerisin-den büyük değişim genliği gösteren ve küçük değişim genliği gösteren iki alt grup belirlenmiş, iki farklı grup içerisinde yer alan kuazarlara ait kırmızıya kayma, görünür ve mutlak parlaklıklar, ışınım gücü ve merkezi kara delik kütlesi dağılımları kıyaslanmıştır. Yapılan analizler, görünür ve mutlak parlaklıklar ve ışınım gücü bakımından ortak bir sonuca işaret etmektedir; büyük değişim genliğine sahip kuazarlar daha sönük olma eğilimindedir. Bu bulgu, ana örneklemin tamamı için uygulanan korelasyon testleri ile de doğrulanmıştır. Bu çalışma, daha önce normal kuazar-lar için ortaya koyulan parlaklık ve değişim genliği arasındaki bilinen ilişkinin, rüzgâr yapısına sahip kuazarlar için de geçerli olduğunu ilk kez ortaya koymaktadır. Bu sonuçlara göre, rüzgâr yapısına sahip kuazarların parlaklık değişim mekanizmaları bakımından normal kuazarlarla aynı olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, güçlü ışınıma sahip kuazarların az değişim göstermesi, parlaklık değişimlerinin disk kararsızlığından kaynaklandığı yönündeki yaygın görüşü desteklemektedir.

Keywords

• Astrofizik
• Galaksiler: Aktif Galaksiler
• Kuazarlar
• Kuazar Rüzgarları
• Fotometrik Değişim

References

1. Drake, A. J., Djorgovski, S. G., Mahabal, A., Beshore, E., Larson, S., Graham, M. J., Williams, R., Christensen, E., Catelan, M., Boattini, A., Gibbs, A., Hill, R., Kowalski, R. (2009). First Results from the Catalina Real-Time Transient Survey. The Astrophysical Journal, 696, 870.doi:10.1088/0004-637X/696/1/870
2. Filiz Ak, N., Brandt, W. N., Hall, P. B., Schneider, D. P., Anderson, S. F., Hamann, F., Lundgren, B. F., Myers, A. D., Pâris, I., Petitjean, P., Ross, N. P., Shen, Y., York, D. (2013). Broad Absorption Line Variability on Multi-year Timescales in a Large Quasar Sample. The Astrophysical Journal, 777, 168.doi:10.1088/0004-637x/777/2/168
3. Filiz Ak, N., Brandt, W. N., Hall, P. B., Schneider, D. P., Anderson, S. F., Gibson, R. R., Lundgren, B. F., Myers, A. D., Petitjean, P., Ross, N. P., Shen, Y., York, D. G., Bizyaev, D., Brinkmann, J., Malanushenko, E., Oravetz, D. J., Pan, K., Simmons, A. E., Weaver, B. A. (2012). Broad Absorption Line Disappearance on Multi-year Timescales in a Large Quasar Sample. The Astrophysical Journal, 757, 114. doi:10.1088/0004-637x/757/2/114
4. Filiz Ak, N., Brandt, W. N., Hall, P. B., Schneider, D. P., Trump, J. R., Anderson, S. F., Hamann, F., Myers, A. D., Pâris, I., Petitjean, P., Ross, N. P., Shen, Y., York, D. (2014). The Dependence of C IV Broad Absorption Line Properties on Accompanying Si IV and Al III Absorption: Relating Quasar-wind Ionization Levels, Kinematics, and Column Densities. The Astrophysical Journal, 791, 88. doi:10.1088/0004-637X/791/2/88
5. Gibson, R. R., Jiang, L., Brandt, W. N., Hall, P. B., Shen, Y., Wu, J., Anderson, S. F., Schneider, D. P., Vanden Berk, D., Gallagher, S. C., Fan, X., York, D. G. (2009). A Catalog of Broad Absorption Line Quasars in Sloan Digital Sky Survey Data Release 5. The Astrophysical Journal, 692, 758.doi:10.1088/0004-637X/692/1/758
6. MacLeod, C. L., Brooks, K., Ivezić, Ž., Kochanek, C. S., Gibson, R., Meisner, A., Kozlowski, S., Sesar, B., Becker, A. C., de Vries, W. H. (2011). Quasar Selection Based on Photometric Variability. The Astrophysical Journal, 728, 26.doi:10.1088/0004-637X/728/1/26
7. MacLeod, C. L., Ivezić, Ž., Kochanek, C. S., Kozlowski, S., Kelly, B., Bullock, E., Kimball, A., Sesar, B., Westman, D., Brooks, K., Gibson, R., Becker, A. C., de Vries, W. H. (2010). Modeling the Time Variability of SDSS Stripe 82 Quasars as a Damped Random Walk. The Astrophysical Journal, 721, 1014.doi:10.1088/0004-637X/721/2/1014
8. MacLeod, C. L., Ivezić, Ž., Sesar, B., de Vries, W., Kochanek, C. S., Kelly, B. C., Becker, A. C., Lupton, R. H., Hall, P. B., Richards, G. T., Anderson, S. F., Schneider, D. P. (2012). A Description of Quasar Variability Measured Using Repeated SDSS and POSS Imaging. The Astrophysical Journal, 753, 106. doi:10.1088/0004-637X/753/2/106

9. Matthews, T. A., Sandage, A. R. (1963). Optical Identification of 3C 48, 3C 196, and 3C 286 with Stellar Objects. The Astrophysical Journal, 138, 30. doi:10.1086/147615
10. Palanque-Delabrouille, N., Yeche, C., Myers, A. D., Petitjean, P., Ross, N. P., Sheldon, E., Aubourg, E., Delubac, T., Le Goff, J.-M., Pâris, I., Rich, J., Dawson, K. S., Schneider, D. P., Weaver, B. A. (2011). Variability selected high-redshift quasars on SDSS Stripe 82. Astronomy and Astrophysics, 530, A122.doi:10.1051/0004-6361/201016254
11. Pâris, I., Petitjean, P., Aubourg, É., vd. (2018). The Sloan Digital Sky Survey Quasar Catalog: Fourteenth data release. Astronomy and Astrophysics, 613, A51.
12. Sayılı, Ö. (2019). Geniş Soğurma Çizgili Kuazarların Fotometrik İncelenmesi. Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 145s, Kayseri. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi
13. Shen, Y., Richards, G. T., Strauss, M. A., Hall, P. B., Schneider, D. P., Snedden, S., Bizyaev, D., Brewington, H., Malanushenko, V., Malanushenko, E., Oravetz, D., Pan, K., Simmons, A. (2011). A Catalog of Quasar Properties from Sloan Digital Sky Survey Data Release 7. The Astrophysical Journal Supplement Series, 194, 45.doi:10.1088/0067-0049/194/2/45
14. Silverman, B. W. (1986). Density estimation for statistics and data analysis, Monographs on Statistics and Applied Probability. London: Chapman and Hall. https://ned.ipac.caltech.edu/level5
15. Suberlak, K., Ivezić, Ž., MacLeod, C. L., Graham, M., Sesar, B. (2017). Solving the puzzle of discrepant quasar variability on monthly time-scales implied by SDSS and CRTS data sets. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 472, 4870.doi:10.1093/mnras/stx2310
16. van den Bergh, S., Herbst, E., Pritchet, C. (1973). A search for faint variable objects. The Astronomical Journal, 78, 375.doi:10.1086/111426
17. Vanden Berk, D. E., Wilhite, B. C., Kron, R. G., Anderson, S. F., Brunner, R. J., Hall, P. B., Ivezić, Ž., Richards, G. T., Schneider, D. P., York, D. G., Brinkmann, J. V., Lamb, D. Q., Nichol, R. C., Schlegel, D. J. (2004). The Ensemble Photometric Variability of 25,000 Quasars in the Sloan Digital Sky Survey. The Astrophysical Journal, 601, 692. doi:10.1086/380563
18. Yang, G., Brandt, W. N., Luo, B., Xue, Y. Q., Bauer, F. E., Sun, M. Y., Kim, S., Schulze, S., Zheng, X. C., Paolillo, M., Shemmer, O., Liu, T., Schneider, D. P., Vignali, C., Vito, F., Wang, J.-X. (2016). Long-term X-Ray Variability of Typical Active Galactic Nuclei in the Distant Universe. The Astrophysical Journal, 831, 145.doi:10.3847/0004-637X/831/2/145
19. Zenfeng Li, McGreer, I. D., Wu, X.-B., Fan, X., Yang, Q. (2018). The Ensemble Photometric Variability of Over 105 Quasars in the Dark Energy Camera Legacy Survey and the Sloan Digital Sky Survey. The Astrophysical Journal, 861, 6.doi:10.3847/1538-4357/aac6ce